泸定M_S6.8地震前后的电离层TEC扰动分析.pdf

第 37 卷第 3 期2023 年 9 月西昌学院学报（自然科学版）Journal of Xichang University（Natural Science Edition）Vol.37，No.3Sept.，2023泸定M_S6.8地震前后的电离层TEC扰动分析吴遗林1，甘泉2，肖林萍1，何金珠1，邓江渝1（1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756；2.自然资源部第三大地测量队，四川 成都 610000）摘 要：为了分析泸定M_S6.8地震期间的电离层TEC异常与地震之间的相关性，基于2022年8月6日2022年9月8日GFZ全球电离层格网数据，选取4个特征点并使用滑动四分位距法，检测2022年9月5日泸定M_S6.8地震孕震区上空的VTEC异常。4个特征点的VTEC在8月26日、8月30日、9月4日、9月5日和9月8日均出现异常扰动，排除空间环境活动的干扰后，8月26日的负异常和8月30日的正异常与本次地震相关，且VTEC异常集中出现在世界时间UT04：00-12：00，呈现先增大后减小特征。检测结果表明，地震期间的电离层TEC异常与地震之间具有较强的相关性，可为地震的预测分析提供参考。关键词：总电子含量；滑动四分位距法；泸定地震；地震前兆 中图分类号：P315.7 文献标志码：A 文章编号：16731891（2023）03006805The TEC Perturbation Analysis of Ionosphere Before and After the Luding M_S6.8 EarthquakeWU Yilin1，GAN Quan2，XIAO LinPing1，HE Jinzhu1，DENG Jiangyu1（1.School of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 611756，China；2.The Third Geodetic Surveying Brigade of the Ministry of Natural Resources，Chengdu，Sichuan 610000，China）Abstract:In order to analyze the correlation between the ionospheric TEC anomalies and the Luding M_S6.8 earthquake，based on the GFZ global ionosphere map from August 6th to September 8th，2022，we selected four key points and employed the sliding quartile range method to detect the VTEC anomalies over the epicentral region of the Luding M_S6.8 earthquake on September 5th,2022.The VTEC at the four selected key points exhibited anomalous disturbances on August 26th，August 30th，September 4th，September 5th，and September 8th.After excluding the interference of spatial environmental activities，the negative anomaly on August 26th and the positive anomaly on August 30th were found to be correlated with this earthquake，Furthermore，the VTEC anomalies were concentrated between UT04：00 and 12：00，exhibiting a characteristic of initial increase followed by decrease.The detection results demonstrate a strong correlation between the ionospheric TEC anomalies during the earthquake and the seismic event itself，and can provide valuable reference for earthquake prediction and analysis.Keywords:total electron content；sliding quartile range method；Luding earthquake；earthquake precursor0 引言电离层作为大气层的一部分，在短波通信、雷达定位、导航等方面扮演着重要的角色。随着全球导 航 卫 星 系 统（global navigation satellite system，GNSS）和空间探测技术的不断发展，电离层产品的精度逐步提高。已有研究表明，电离层总电子含量（total electron content，TEC）的变化与空间环境活动密切相关，且利用电离层短期显著的扰动特性来完善地震立体监测体系已成为世界各国学者努力的方向1。目前为止，诸多学者开展了电离层TEC异常扰动与地震孕震的相关性研究。美国阿拉斯加大地震期间，Leonard等2首次发现地震上空电离层具有doi：10.16104/j.issn.16731891.2023.03.012收稿日期：2023-04-17作者简介:吴遗林（2000），男，四川乐山人，硕士研究生，主要研究方向：知识图谱、地理信息可视化，e-mail：。第 3 期吴遗林，甘泉，肖林萍，等：泸定M_S6.8地震前后的电离层TEC扰动分析异常扰动现象，而这种扰动与观测站及地震震中之间的距离有关。此后，电离层TEC的异常扰动便成为分析地震前兆信息的重要手段。吴云等3借助卡尔曼滤波来平滑处理仪器偏差和网格上空的VTEC值，用2倍中误差作为观测值的限值，发现地震上空的VTEC出现了正负异常扰动现象，且正异常的出现要先于负异常。Gopal等4对Sonitpur地震前的负异常进行分析，并计算了异常值与CORS观测站距离的 Pearson 相关系数，证实了两者之间的强相关性。Tojiev 等5、杨可可等6、从建锋等7对地震上空的电离层TEC进行异常检测，发现电离层在震前和震后均有异常扰动，并认为该异常与地震相关。Park等8、Ulukavak 等9通过对多次地震前的电离层TEC异常分析，发现出现阳性异常的次数大于阴性异常。翟笃林等10使用中国陆态网的地基GPS-TEC观测值，分析了2008年2019年期间在中国发生的7次地震，发现电离层TEC异常值与震中距呈负相关、与震级呈正相关关系。为进一步确定TEC异常与震级的关系，Sharma等11对160次不同震级的地震进行震前的电离层 TEC 异常检测，结果显示，地震前兆检测的成功率与震级呈正相关，且MW6的地震能完全检测。上述研究虽然证实了地震期间电离层 TEC异常与地震的相关性，但未对地震前后的电离层TEC异常扰动特征进行详细分析。基于此，本文以四川省泸定县M_S6.8地震为研究对象，选取德国地学研究中心提供的全球电离层格网数据并采用滑动四分位距法，深入分析地震前后电离层的VTEC异常扰动特征。1 研究区与数据源2022年9月5日12时52分18秒，四川省泸定县发生了6.8级地震，震中心位于102.08E，29.59N，震源深度为16 km。为了对此地震进行研究，本文选 取 的 是 德 国 地 学 研 究 中 心（Helmholtz-Centre Potsdam-German Research Centre for Geosciences，GFZ）提供的每日全球电离层格网数据（Global Ionosphere Map，GIM）。该数据在空间天气预测、地震活动预测、卫星导航等领域具有广泛的应用价值，通过使用太阳-地磁参考系下15度和15阶的球谐函数来构建VTEC模型，同时采用改进的单层映射函数将斜路径上总电子含量（slant total electron content，STEC）转换为垂直（天顶）方向上总电子含量（Vertical Total Electron Content，VTEC）。其 中，VTEC的时间分辨率为2 h，即从UT00：00到UT22：00每2 h采集一次；空间分辨率为2.55.0，每个格网点一天共有12个TEC数据，覆盖范围广、精度高。根据 Dobrovolsky 等12提出的地震孕震区半径计算公式：=100.43M km（表示孕震区半径，M表示地震震级数），计算此次地震孕震区的半径约为839 km，即GFZ提供的VTEC空间分辨率满足本文要求。由此，本研究选取距离震中最近的4个网格点（D1：30N，100E；D2：30N，105E；D3：27.5N，100E；D4：27.5N，105E）作为检测地震上空的电离层VTEC异常的特征点。此外，考虑到电离层TEC的变化不规律，且易受空间环境活动的影响，因此本研究不采用空间插值方法提高 VTEC 的分辨率。2 分析方法2.1 滑动四分位距法四分位距（interquatile range，IQR）是一种稳健统计技术中用于表示数据离散程度的一个量，相对于中位数和平均值，该指标能够更好地检测数据中的异常值。滑动四分位距法则是选取待检测数据前一定长度的数据作为背景值来计算待检测数据的限值，每计算一次，待检测数据往后移一次，直至所有数据检测完成。以窗口长度16为例，给定一组数据 x1，x2，x16，将其从小到大排序，设排序后的数据为 X1，X2，X16，则：（1）IQR=Q3-Q2（2）UB=Q2+k IQRUB=Q2-k IQR（3）式（1）（3）中：Q1表示第1四分位数，该组数据中小于或等于该值的数据占25%；Q2表示第2四分位数（中位数），该组数据中小于或等于该值的数据占50%；Q3表示第3四分位数，该组数据中小于或等于该值的数据占 75%；IQR 表示四分位距，在统计学中，IQR=1.34 （为标准差），即四分位距等于1.34倍标准差，在置信度为 95%时，使用该方法计算的阈值约为标准差的2倍；UB表示上边界，若观测值高于UB表示正异常，LB表示下边界，若观测值低于LB表示负异常，若观测值位于LB、UB之间，则69西昌学院学报（自然科学版）第 37 卷表示观测值没有异常；k为系数，用于控制模型的敏感度，k 值越小表明模型对异常值的敏感度越高。根据其他学者的分析结果及本文所做的试验，当k取1.5时模型检测异常的效果较好，所以本文中的k取1.513。2.2 空间环境活动指数空间环境活动也是引起电离层 TEC异常扰动的一个重要因素。在初步检测出电离层TEC异常扰动现象后，为进一步确定电离层TEC异常与地震的关系，需要结合太阳辐射通量F10.7及地磁指数Dst、Kp和Ap来判断空间环境活动水平的强弱。若异常当天的空间环境活动处于平静状态，则认为该天的电离层TEC异常与地震相关。表1为上述4个不同的空间环境指标及其对应的活动等级，分弱、中、强3个不同等级，以此为依据来判断当日的空间环境活动水平强度。若Dst指数小于-50 nT，Kp 大于 4 nT，Ap 大于 20，F10.7 大于140 sfu，则认为该天的空间环境活动水平处于较为活跃的状态，会引起电离层TEC异常扰动。3 实验分析基于 2022 年 8 月 6 日至 9 月 8 日 GFZ 发布的GIM数据，选取时间窗口为16天，使用滑动四分位距法计算了 4 个特征点在地震前后共计 19 天的VTEC限值，结果如图2所示。图1a、1b、1c、1d分别表示D1、D2、D3和D4处的VTEC异常变化，横轴表示日期，纵轴上半轴表示 VTEC 值，下半轴表示VTEC 异常值（VTEC）单位为 TECu（一个 TECu 表示“1 1016个电子/m2”）。由图1可以看出，D1处有5 d出现明显异常，其中2 d为负异常，3 d为正异常，异常的极小值发生在8月26日，为-5.225 TECu，极大值发生在9月8日，为4.875 TECu；D2处有6 d出现明显异常，其中2 d为负异常，4 d为正异常，异常的极小值发生在8月26日，为-4.175 TECu，极大值发生在 8月 30日，为4.7 TECu；D3处有6 d出现明显异常，其中2 d为负异常，4 d为正异常，异常的极小值发生在8月26日，为-6.9 TECu，极 大 值 发 生 在 9 月 8 日，为 5.975 TECu；D4 处有 7 d 出现明显异常，其中 2 d 为负异常，5 d为正异常，异常的极小值发生在8月26日，为-6.725 TECu，极大值发生在 8 月 30 日，为 6.575 TECu。排除 VTEC 异常值较为分散且小于 1TECu的时间，这4个特征点在8月26日、8月30日、9月4日、9 月 5 日和 9 月 8 日同时检测出电离层 VTEC异常。图2展示了从8月21日至9月8日期间的空间环境活动指数时间序列，其中，横轴表示日期，纵轴表示各指数的值。可以看出，地磁活动方面，9月4日和9月5日的Ap指数分别为62和36，均大于20；9月 4 日和 9 月 5 日的 Dst 指数均小于-50 nT；9 月 4日、9月5日和9月8日的Kp指数均大于4，即以上4天的地磁活动较为活跃。太阳辐射方面，F10.7指数在8月28日达到251.9 sfu，说明该天的太阳辐射表1空间环境指数的活动水平空间环境活动指数弱中强Dst-50,-30)-100,-50)-250,-100)Kp0,4(4,5(5,9Ap0,20(20,40(40,60F10.70,140(140,200(200,250注：Dst、Kp、Ap表示地磁指数；F10.7表示太阳辐射通量。a.D1点的VTEC时间序列图及VTEC异常值b.D2的VTEC时间序列图及VTEC异常值70第 3 期吴遗林，甘泉，肖林萍，等：泸定M_S6.8地震前后的电离层TEC扰动分析较为强烈。因此，上述日期中检测出的电离层VTEC 异常可能会受到地磁活动和太阳辐射的干扰，在此排除9月4日、9月5日和9月8日这3天的电离层异常是由地震引起的，而8月26日和8月30日的电离层异常与本次地震相关，且这两次异常都出现在地震发生之前。进一步地，开展 8 月 26 日和 8 月 30 日这 2 天VTEC异常值的日变化特征分析，结果如图3所示。从图中可以看到，8月 26日的 4个特征点从 UT04：00开始出现负异常且异常值逐渐增加，UT08：00时达到最大，随后逐渐减小，在UT12：00恢复正常；8月 30日的 4个特征点从 UT04：00开始出现正异常且异常值逐渐增加，UT10：00时达到最大值，随后逐渐减小，在UT12：00恢复正常。即这2天的VTEC异常均集中出现在UT04：00-12：00，且呈现先增大后减小的变化特征。4 结论基于GFZ发布的2022年8月6日2022年9月8日的GIM数据，本文选取了4个特征点并使用滑动四分位距法对四川省泸定M_S6.8地震前后的电离层TEC进行了分析。通过对期间的VTEC进行异常检测，结果发现，8月26日和8月30日出现的VTEC正、负异常均与本次地震相关；且VTEC异常值集中出现在UT04：00-12：00，呈现先增大后减小的变化规律。亦即地震期间的电离层TEC异常与地震之间具有较强的相关性，这一结果对于地震的预测分析具有重要的参考价值。图38月26日、8月30日VTEC异常值的日变化曲线图2空间环境指数（Dst、Kp、Ap、F10.7）时间序列曲线c.D3的VTEC时间序列图及VTEC异常值图14个特征点处的VTEC异常变化时间序列图及VTEC异常值（VTEC_OB为VTEC观测值，VTEC_UB为上边界，VTEC_LB为下边界）d.D4的VTEC时间序列图及VTEC异常值（下转第98页）71西昌学院学报（自然科学版）第 37 卷9刘从虎，文星，陈国华，等.科研项目对应用型本科毕业设计（论文）的引导模式研究 J.常熟理工学院学报，2021，35（5）：120-124.10 华宇鹏，孟根其其格.应用型本科毕业论文（设计）质量的现状与对策探析 J.创新创业理论研究与实践，2020（10）：143-144.11 吴桂翎，吴姗姗，何青青.应用型大学本科毕业论文质量标准探析 J.合肥师范学院学报，2021，39（4）：111-115.（上接第71页）尽管地震发生期间的电离层 TEC异常扰动可以用来预测地震，但顾及地震发生的瞬时性、其作用机理的复杂性和电离层丰富的时空特性，用电离层TEC异常扰动预测地震还需开展更深入的研究。参考文献：1张学民，申旭辉，赵庶凡，等.地震电离层探测技术及其应用研究进展 J.地震学报，2016，38（3）：356-375.2LEONARD R S，BARNES J R A.Observation of ionospheric disturbances following the Alaska earthquake J.Journal of Geophysical Research，1965，70（5）：1250-1253.3吴云，乔学军，周义炎.利用地基 GPS 探测震前电离层TEC异常 J.大地测量与地球动力学，2005，25（2）：36-40.4GOPAL S.Manifestation of earthquake preparation zone in the ionosphere before 2021 Sonitpur，Assam earthquake revealed by GPS-TEC data J.大地测量与地球动力学（英文版），2022，13（3）：230-237.5TOJIEV S R，AHMEDOV B J，TILLAYEV Y A，et al.Ionospheric anomalies of local earthquakes detected by GPS TEC measurements using data from Tashkent and Kitab stations J.Advances in Space Research，2013，52（6）：1146-1154.6杨可可，刘立龙，陈军.基于滑动四分位距法的地震期间电离层 TEC 异常 J.桂林理工大学学报，2019，39（2）：427-432.7从建锋，刘智敏，刘盼.地震前后电离层TEC扰动分析 J.测绘工程，2020，29（2）：67-71.8PARK S M，RYU K M，MIN K.Ionospheric anomalies related to strong earthquakes in North America as observed by TEC J.Advances in Space Research，2021，68（10）：4137-4154.9ULUKAVAK M，YALCINKAYA M，KAYIKCI E T，et al.Analysis of ionospheric TEC anomalies for global earthquakes during 2000-2019 with respect to earthquake magnitude（Mw=6.0）J.Journal of Geodynamics，2020，135：101721.10 翟笃林，祝芙英，林剑，等.基于地基GPS-TEC的中国区域地震电离层效应研究 J.中国地震，2020，36（4）：857-871.11 SHARMA G，RAY PK C，MOHANTY S，Kannaujiya S.Ionospheric TEC modelling for earthquakes precursors from GNSS data J.Quaternary International，2017，462：65-74.12 DOBROVOLSKY I P，ZUBKOV S I，MIACHKIN.V I.Estimation of the size of earthquake prepatation zones J.Pure and Applied Geophysics，1979，117（5）：1025-1044.13 邹斌，郭金运，常晓涛，等.基于主成分分析与滑动四分位法的震前TEC异常探测对比分析 J.全球定位系统，2016，41（4）：63-69+76.98